CN214150421U - 一种基于光纤光栅温度补偿的空腔光纤氢气传感器 - Google Patents
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Abstract
一种基于光纤光栅温度补偿的空腔光纤氢气传感器，属于光纤传感领域，其特征包括宽带光源、光纤耦合器、长距离传输单模光纤、布拉格光纤光栅、光谱分析仪和空腔光纤氢气传感头；本实用新型利用聚二甲基硅氧烷将空芯光纤分隔成两个空腔，一个微腔形成干涉结构，另一个微腔内嵌氢气敏感材料作为传感区。在长距离传输单模光纤和空腔光纤氢气传感头中加入布拉格光纤光栅，消除环境温度变化引起的空腔光纤氢气传感头的波长漂移量，得到氢气浓度变化引起的波长漂移量，从而获得高灵敏度。本实用新型提出一种可以提高测量精度，稳定性能好，安全，具有很高的实用价值的基于光纤光栅温度补偿的空腔光纤氢气传感器。
Description
技术领域
本实用新型涉及了一种光纤氢气传感器，尤其涉及一种基于光纤光栅温度补偿的空腔光纤氢气传感器，属于光纤传感技术领域。
背景技术
随着世界工业化进程加快，石燃料的燃烧带来了严重的环境污染问题。氢气作为一种可再生的氢气能源(其燃烧物只有水)，分布广泛，能量密度大应用面广，越来越受到人们的重视。氢能源具有燃烧热值高、清洁无污染等特点，被认为是替代化学燃料的理想能源。氢气被广泛用于许多领域，如汽车、军事、化工、电子工业。但是，氢气的性质过于活泼，无论是固态还是液态的氢气都是非常易挥发、易燃、易爆，空气中氢气含量在4％至74.5％时，遇明火极易爆炸，造成重大安全事故。
目前，氢气传感器大多数是以半导体型，接触燃烧式等为主，虽技术成熟且具有较高的精度和较低的检测阈值，但是这些传感器的工作原理大多数是基于电学传感原理，使用寿命短且在使用过程中容易产生电火花，引起爆炸。和传统的电学氢气传感器相比，光纤氢气传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高等优点。且它的光信号是在光纤内部传输，具有安全性。此外，光纤传感器是无源器件，抗电磁干扰，能够在远程监测的时候监测氢气。
近年来，因为负载Pt的WO3粉末因为制作简单、可重复使用、易于涂覆等优点被广泛应用在氢敏材料。当WO3与氢气反应时会导致局部温度升高。当Pt作为催化剂时，当氢浓度增加时，WO3与氢反应剧烈，不断产生热量。嵌入Pt负载的WO3/SiO2的光学氢传感器结构紧凑，易于制造。通过监测氧化还原反应在不同温度下反射光谱的变化，可以实现氢浓度的传感。由于PDMS具有较高的热膨胀系数，使用PDMS形成空腔壁大大提高了氢的敏感性。在0～1％的氢浓度范围内，氢敏度为约15.14nm/％，响应速度快。该传感器具有灵敏度高、制作工艺简单、响应速度快、重复性好等优点，可长期用于低氢浓度测量。然而，光纤氢气传感头同样对环境温度敏感，当环境温度发生变化时，导致氢气测量结果产生误差。
实用新型内容
本实用新型的目的是：针对光纤氢气传感头对环境温度变化敏感，导致氢气浓度测量精度降低的问题，提供了一种基于光纤光栅温度补偿的空腔光纤氢气传感器，该传感器精度高，稳定性能好，安全，具有很高的实用价值。
本实用新型为解决技术问题所采取的技术方案：
一种基于光纤光栅温度补偿的空腔光纤氢气传感器，包括宽带光源、光纤耦合器、布拉格光纤光栅(FBG)、长距离传输单模光纤、光谱分析仪以及空腔氢气传感头。
宽带光源与光谱分析仪通过光纤耦合器相连，光纤耦合器与长距离传输单模光纤相连，布拉格光纤光栅的两端分别与长距离传输单模光纤和空腔型氢气传感头相连，光谱分析仪的功能是氢气传感器的信号解调；所提的空腔型氢气传感头由空芯光纤，聚二甲基硅氧烷薄膜，三氧化钨载铂粉末组成，聚二甲基硅氧烷薄膜将空心光纤分隔成第一空腔和第二空腔；其中聚二甲基硅氧烷薄膜靠近第二空腔一侧黏附有三氧化钨载铂粉末；空芯光纤的长度为100μm～150μm，第一空腔的长度为20μm～60μm，腔长的变化在30μm-80μm。
本实用新型的有益效果为：
本实用新型的传感器结构小，氢气传感高灵敏度。通过加入布拉格光纤光栅，进行温度补偿，消除环境温度变化引起的空腔光纤氢气传感头的波长漂移量，得到氢气浓度变化引起的波长漂移量，从而获得高灵敏度与高精确的的氢气浓度的测量，有效消除环境温度对测量结果的高精确度的影响。
附图说明
图1为基于光纤光栅温度补偿的空腔光纤氢气传感器结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型进一步描述。
如图1所示，一种基于光纤光栅温度补偿的空腔光纤氢气传感器，包括宽带光源1、光纤耦合器2、长距离传输单模光纤3、布拉格光纤光栅4、光谱分析仪5、空腔型氢气传感头6，其中布拉格光纤光栅的作用是对传感头进行温度补偿。宽带光源1与光谱分析仪5通过光纤耦合器2相连，光纤耦合器2与长距离传输单模光纤3相连，布拉格光纤光栅4的两端分别与光纤耦合器2和空腔型氢气传感头6相连，光谱分析仪5的功能是信号解调；空腔光纤氢气传感头6由空芯光纤10，聚二甲基硅氧烷薄膜11，三氧化钨载铂粉末12组成，其中空芯光纤10的长度为100μm～150μm，聚二甲基硅氧烷薄膜11将空心光纤10分隔成第一空腔7和第二空腔8，其中第一空腔7的长度为20μm～60μm，腔长的变化在30μm-80μm；其中聚二甲基硅氧烷薄膜11靠近第二空腔8一侧黏附有三氧化钨载铂粉末12。
本实用新型系统的工作方式为：宽带光源1产生信号光，发出的信号光通过光纤耦合器2传输到长距离传输单模光纤3上，一部分光信号从布拉格光纤光栅4透射出去到达氢气传感头6上，输出的光信号通过单模传输光纤3输入到光谱仪5中进行光谱检测，同时另一部分反射光波返回到耦合器2中，并由光谱仪检测其干涉波长。为了消除环境温度引起的波长漂移，得到氢气浓度变化引起的波长漂移，加入FBG来检测环境温度。由于环境温度变化引起的光纤光栅波长漂移ΔFBG和空腔光纤氢气传感头的总波长漂移量Δλ可直接从反射光谱中读出，通过FBG的测温公式ΔλFBG＝αΔT，其中α为FBG的温度灵敏度，可计算出环境的温度变化ΔT。通过ΔλT＝βΔT，β为空腔光纤氢气传感头的环境温度灵敏度，可得到环境温度变化引起的空腔光纤氢气传感头的波长漂移量ΔλT,通过Δλ＝ΔλH+ΔλT，由
可获得氢气浓度变化引起的空腔光纤氢气传感头的波长漂移量，最后通过ΔλH＝γΔC，γ为空腔光纤氢气传感头的氢气灵敏度，获得氢气浓度ΔC变化，因此消除了环境温度对测量结果的影响，实现对氢气浓度的准确测量。
该装置能够能够实现一种基于光纤光栅温度补偿的空腔光纤氢气传感器的关键技术有：
1、传感头结构。将一段空芯光纤拼接到单模光纤上，空芯光纤用的是石英毛细管(TSP075150)，外径为150μm，内径为75μm，然后将HCF尖端插入PDMS中，PDMS是弹性聚合物前驱体和硬化剂的混合物，混合比例为5:1。由于毛细管作用，液体PDMS渗透到HCF中。空气被密封在内部，因此PDMS将HCF分成两个气隙。由于HCF的长度很短，所需的填充时间也很短。可以通过监测反射光谱来控制内腔的长度，使其达到理想的长度。当氢气浓度增加，三氧化钨载铂粉末12与氢气发生氧化还原反应，使得传感结构周围温度升高，聚二甲基硅氧烷薄膜11受热发生膨胀，使得第一空腔7的腔长缩短，从而使得干涉波谱向短波发生波长漂移。
2、FBG的波长漂移与放置位置。控制FBG的波长漂移远离空腔峰的波长漂移，避免两峰值的重合使得氢气浓度精确度不高。放置FBG的位置接近氢气传感头，便于探测同一位置上的温度变化范围。
3、腔长的长度。空腔型氢气传感器的灵敏度取决于腔长的变化，腔长越短，灵敏度越高，一般腔长的变化在30μm-80μm范围内。
本实用新型的具体实施例中，光源的输出波长为1200nm～1650nm；光谱仪的工作波长覆盖范围为1200nm～1650nm；单模光纤用的是常规单模光纤(G.625)，纤芯直径为8.2μm，包层直径为125μm，空芯光纤用的是石英毛细管(TSP075150)，外径为50μm，内径为75μm，涂层为12μm；空芯光纤的长度为120.5μm，第一空腔的长度为35.5μm，腔长的变化在30μm-80μm；FBG反射波长1557nm；在氢气浓度在0％至1.0％范围内，基于光纤光栅温度补偿的空腔光纤氢气传感器的氢气灵敏度为-15.14nm/％，拟合度R2为0.99。
通过上述具体实施例对本实用新型进行了揭示，基于空腔光纤氢气传感器加入光纤光栅温度补偿的氢气传感器的简单变形，将落入本实用新型的权利要求范围内。
Claims (1)
1.一种基于光纤光栅温度补偿的空腔光纤氢气传感器，其特征在于：由宽带光源、光纤耦合器、布拉格光纤光栅、长距离传输单模光纤、光谱分析仪以及空腔光纤氢气传感头构成传感测量系统；宽带光源与光谱分析仪通过光纤耦合器相连，光纤耦合器与长距离传输单模光纤相连，布拉格光纤光栅的两端分别与长距离传输单模光纤和空腔光纤氢气传感头相连，光谱分析仪的功能是氢气传感器的信号解调；
所述空腔光纤氢气传感头由空芯光纤，聚二甲基硅氧烷薄膜，三氧化钨载铂粉末组成，聚二甲基硅氧烷薄膜将空心光纤分隔成第一空腔和第二空腔；其中聚二甲基硅氧烷薄膜靠近第二空腔一侧黏附有三氧化钨载铂粉末；空芯光纤长度为100μm～150μm，第一空腔的长度为20μm～60μm，腔长变化在30μm-80μm，通过加入布拉格光纤光栅，进行温度补偿，消除环境温度变化引起的空腔光纤氢气传感头的波长漂移量，得到氢气浓度变化引起的波长漂移量，可以实现高灵敏度的氢气浓度测量。
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